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Laboratorio 3. Costruzione dell’ArchitetturaLaboratorio 3. Costruzione dell’ArchitetturaLaboratorio 3. Costruzione dell’ArchitetturaProffProffProff Paola MarronePaola MarronePaola Marrone ––– Chiara TonelliChiara TonelliChiara Tonelli

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Fisica TecnicaFisica TecnicaFisica TecnicaProf. Marco FrascaroloProf. Marco FrascaroloProf. Marco Frascarolo

LEZIONE 5LEZIONE 5LEZIONE 5

SOLARE TERMICOSOLARE TERMICOSOLARE TERMICO

Università degli Studi di Roma TreUniversità degli Studi di Roma TreUniversità degli Studi di Roma TreFacoltà di Architettura Facoltà di Architettura Facoltà di Architettura

A. A. 2010A. A. 2010A. A. 2010--- 201120112011

Solare termico Laboratorio 3 - Modulo di Fisica Tecnica prof. Marco Frascarolo

Il Sole è la nostra principale fonte energetica.Il Sole è la nostra principale fonte energetica. Fornisce oltre il 99.5% del’energia entrante nel sistema Terra‐atmosfera.

Per “energia solare” si intende l’energia radiante sprigionata dal Sole per effetto delle reazioni nucleari (fusione dell’idrogeno) che ( g )avvengono al suo interno.

L’energia solare è trasmessa in tutto lo spazio circostante (e quindi anche sulla Terra) sotto forma di radiazione elettromagnetica.

Di tale energia, il 30% è riflesso, il 47% convertito in potenza termica di bassatemperatura e irraggiata nuovamente nello spazio e del 23% è responsabile dei

i di i i it i ll bi f d ll 0 5% iprocessi di evaporazione e precipitazione nella biosfera; meno dello 0,5% vienetrasformato in energia cinetica di vento ed onde ed accumulato per fotosintesinella piante verdi.


L’orientamento preferibile per i collettori è a SUD con piccole deviazioni tollerate verso SE o SO.L’angolo di inclinazione dei collettori sull’orizzontale è pari alla latitudine L del luogo per un funzionamento continuo annuale mentre è consigliato L+15°per un funzionamento principalmente invernale ed L‐10°per un p p p pfunzionamento prevalentemente estivo.


Un impianto a collettori solariUn impianto a collettori solari,nella forma più semplice, ècostituito da un pannellosolare solitamente di formasolare, solitamente di formapiana simile ad un radiatore,che contiene un liquido

il li l i ètermovettore – il glicole – cioèun liquido che trasporta il caloreall’interno dell’impianto. Ilglicole circola dentro unoscambiatore (tipo serpentina),inserito all’interno di un serbatoio di accumulo, e cede energia termica all’acqua, che raggiunta unatemperatura di circa 45°C, viene immessa nella rete di distribuzione dell’acquacalda sanitaria e/o nella rete di distribuzione dell’impianto di riscaldamentocalda sanitaria e/o nella rete di distribuzione dell impianto di riscaldamentodomestico.


L’impianto a pannelli solari termici è utilizzato prevalentemente adp p pintegrazione degli impianti esistenti di produzione di acqua calda sanitaria(ACS) e/o di riscaldamento.Esistono principalmente 2 tipologie di pannelli solari ognuna delle quali è piùEsistono principalmente 2 tipologie di pannelli solari, ognuna delle quali è piùindicata all’integrazione di un tipo di impianto:

PANNELLI SOLARI VETRATI PIANIl d d

PANNELLI SOLARI VETRATI PIANIUsati soprattutto per la produzione diacqua calda sanitaria

Usati per la produzione di acqua caldasanitaria e/o riscaldamento edificio


L’impianto a pannelli solari nel suo complesso si differenzia in base al tipo dii l i d l fl id t tt ll’i t d ll bi tcircolazione del fluido termovettore all’interno dello scambiatore.La circolazione può essere:

NATURALEIl fluido riscaldato, in quanto più leggero risale verso l’alto dove è

FORZATAIl flusso del liquido è agevolato dall’ausiliodi na pompa elettri a he permette naleggero, risale verso l alto, dove è

presente il serbatoio di accumulo integrato al pannello

di una pompa elettrica, che permette unamigliore circolazione e quindi consente diinstallare il serbatoio separatamente


SOLARE TERMICO


COLLETTORE SOLARE TERMICOUn collettore è formato essenzialmente da un contenitore (detto carter) nel quale sono inseriti una piastra captatrice (assorbitore) solitamente in materiale metallico annerito (lamiera di acciaio o di rame o di alluminio), da una o più lastre di vetro poste al di sopra della piastra captatrice ad una distanza variabile fra 1 e 2 cm e infine dal coibente posto fra carter e piastra p pcaptatrice.


COLLETTORE SOLARE TERMICOIl tipo di collettore più comune è il pannello piano costituito da: piastra assorbente, condotti percorsi dal fluido termovettore, lastra di copertura trasparente (può essere assente), isolamento termico posteriore e laterale, struttura di supporto e contenimento.

Il collettore solare è un dispositivo capace diIl collettore solare è un dispositivo capace di convertire la radiazione solare in energia termica. In esso si sfrutta il cosiddetto effetto serra: la radiazione solare (di bassa lunghezzaserra: la radiazione solare (di bassa lunghezza d’onda l < 3 μ) passa attraverso il vetro mentre la radiazione termica emessa dalla piastra

t t i (di lt l h d’ d i è lcaptatrice (di alta lunghezza d’onda cioè con l > 3 μ) resta bloccata dalla lastra di vetro.


COLLETTORE SOLARE TERMICO

Valori della trasmittanza in funzione della lunghezza d’onda della radiazione


Assorbitore

I lli l i i iI pannelli solari piani possono essere:‐ vetrati o scoperti;‐ ad aria;‐ sottovuoto.


Assorbitore

La piastra captante dei pannelli piani deve essere caratterizzata da elevata assorbenza e bassa remissività termica.In funzione dei valori di tali caratteristiche, si distinguono pannelli a:‐ superficie selettiva;‐ superficie non selettiva (verniciatura nera);

Pannelli a superficie non selettiva:La superficie dell'assorbitore di calore non subisce nessun trattamento specifico, ma viene semplicemente verniciata in nero.p , pIl loro rendimento è inferiore rispetto a quelli selettivi ed il loro impiego è particolarmente indicato per le seconde case, utilizzate nei mesi estivi, e per le zone con abbondante insolazionezone con abbondante insolazione.Ovviamente il costo è inferiore rispetto ai pannelli a superficie selettiva.


AssorbitoreAll’interno del collettore l’assorbitore si comporta come un tubo di gomma dagiardino lasciato al sole e trasforma quindi la radiazione solare in calore sensibile. Ilnormale assorbitore di un collettore standard è di rame, di una lega rame‐alluminio, goppure di acciaio al nickel‐cromo rivestito nella parte superiore da uno strato nero difinitura.Quando la radiazione solare colpisce l’assorbitore viene in parte assorbita e in parteQuando la radiazione solare colpisce l assorbitore viene in parte assorbita e in parte riflessa. La radiazione assorbita produce calore che viene ceduto dalla lamiera al tubo in rame dove scorre un fluido termovettore.

Oltre ai requisiti meccanici essenziali, un assorbitore deve anche re‐irradiare il menopossibile il suo calore. Le dispersioni per re‐irradiazione vengono dette anchedi i i i i U bit l fi i i didispersioni per emissione. Un assorbitore con una normale superficie nera re‐irradiaquasi completamente il suo calore, cioè ha una alta emissività. Questa re‐irradiazione di calore viene trattenuta dalla lastra di vetro di copertura in quantoradiazione a onda lunga, ma va a riscaldare il vetro stesso, producendo comunquealte dispersioni di calore.


Assorbitore

Per risolvere questo problema è stato sviluppato lo strato selettivo: la sua funzione è di ridurre le dispersioni per reirradiazione al 10‐15%.


PerditeSe il calore non viene asportato dal collettore sotto forma di energia utile, la temperaturacontinua a salire finché guadagni e dispersioni si bilanciano. Questo significa che tutta laradiazione assorbita va perduta sotto forma di dispersioni di calore. Questa temperatura viene

h hi di i Già ’i i à di di i di 50 W/ 2 ilanche chiamata temperatura di stagnazione. Già con un’intensità di radiazione di 50 W/m2 ilcollettore si riscalda di 9,4 K al di sopra della temperatura ambiente. Diventa quindi chiaro cheall’interno di un collettore con una radiazione media di circa 500‐600 W/m2 si possonoraggiungere temperature che possono creare problemi dal punto di vista della sicurezzaraggiungere temperature che possono creare problemi dal punto di vista della sicurezza.


Collettori ad ariaSono collettori del tutto simili ai normali pannelli vetrati ma in questo caso il fluidotermovettore è aria anziché acqua, aria che può circolare fra vetro e assorbitore (alettato)oppure fra assorbitore e fondo del pannello. I campi d'applicazione per tali impianti sonopp p p pp p ptipicamente quelli di riscaldamento dell'aria per la climatizzazione ambientale e, in campoindustriale, per i processi d'essiccazione di prodotti alimentari. Nel campo del riscaldamentoambiente il vantaggio di utilizzare i collettori ad aria consiste nel fatto che l'aria in essiriscaldata può essere inviata direttamente all'ambiente senza scambiatori di calore intermedi.


Collettori sottovuoto

Questi collettori sono moltosimili nei principi di

funzionamento ai pannelli vetratia superficie selettiva e in più

sono sottovuoto, perché in fasedi bl i l' i idi assemblaggio l'aria viene

aspirata e l'involucro è a tenuta.In ciascun tubo vetratosottovuoto è presente unsottovuoto è presente unassorbitore e un tubo in cuiscorre il fluido vettore.

Il vuoto possiede ottime capacità di coibentazione eliminando completamente le perdite di calore per convezione, poiché l'aria non circonda la superficie captante (lo stesso principio secondo cui funziona il thermos) permettendo di ridurre quasi completamentele dispersioni. Nonostante la temperatura degli assorbitori raggiunga e superi i 120°C il tubo di vetro rimane freddo.


Collettori sottovuotoLe superfici captanti sono molto piccole, cosicché anche le perdite perradiazione sono ridotte (la quantità di calore persa per radiazione dipendedall'area della superficie disperdente) Dietro i tubi a vuoto sono sistemati idall area della superficie disperdente). Dietro i tubi a vuoto sono sistemati iriflettori che fanno sì che le piccole superfici captanti assorbano la stessaquantità di calore che assorbirebbero se le superfici captanti fossero piùampieampie.


Collettori sottovuoto flusso diretto

Il meccanismo di trasporto di calore nei collettori a tubi sottovuoto puòfunzionare in due modi:‐ flusso diretto: il fluido termovettore scorre direttamente nell’assorbitore chesi trova nel tubo sotto vuoto;si trova nel tubo sotto vuoto;‐ tecnologia ad “Heat – pipe”: il trasporto di calore dall’assorbitore al fluidotermovettore ha luogo all’interno di uno scambiatore di calore

I tubi a flusso diretto possono essere installati in qualsiasi posizione: questoi ifi h l l i i ibili d il i i t isignifica che le soluzioni possibili possono prevedere il posizionamento inverticale, sia il montaggio orizzontale su tetti piani. In questo tipo di collettoresotto vuoto il fluido termovettore può essere fatto scorrere in un sistema ditubi coassiali oppure può scorrere attraverso un tubo semplice a U.


Collettori sottovuoto flusso diretto


Collettori sottovuoto: “heat pipe”

Il b è i iIl tubo è riempito con unalcool che evapora già a bassetemperature. All’estremitàsuperiore del tubo il caloreliberato dal processo di

condensazione viene ceduto alliquido termovettore che

scorre nella parte superiore diraccolta. L’alcool, una voltaraccolta. Lalcool, una voltaraffreddato e condensato,

ricade, per gravità, sul fondodel tubo heat pipe ed èdel tubo heat‐pipe, ed èpronto a ri‐assorbire.


Disposizione collettori

La disposizione in parallelo è da adottare ogniqualvolta si vogliano ottenere identichecaratteristiche di funzionamento termico da ciascuno dei collettori posti in schiera;infatti, se rispettata l'uniformità del flusso, ogni collettore della batteria fornisce uninfatti, se rispettata l uniformità del flusso, ogni collettore della batteria fornisce unuguale salto di temperatura fra ingresso ed uscita.


Disposizione collettori

Disposizione in serie ‐ parallelo su più schiere di collettori.

La disposizione dei collettori a sola serie è scarsamente utilizzata a causa della ppenalizzazione di efficienza provocata sui collettori finali della schiera e

dall'eccessivo aumento delle perdite di carico.


Qualche dettaglio per i calcoli

• Al nord d’Italia per la sola produzione di (ACS) Acqua Calda Sanitariaoccorre 1 mq di superficie attiva di pannello (cioè di superficie delpannello atta ad assorbire la radiazione solare) per ogni persona dell’unitàabitativa.

• Il serbatoio di accumulo è normalmente della capacità di 75 litri/giorno apersona.

• L’impianto va dimensionato in base al numero di componenti dell’unitàabitativa.

• Nel caso di integrazione all’impianto di riscaldamento dell’edificio, andràdimensionato anche in base ai consumi annui per tale riscaldamento.


EFFICENZA DI UN PANELLO SOLARE TERMICO

Incidenza della radiazione


CONSUMI E RISPARMIO ENERGETICO


Per dimensionare un impianto a pannelli solari bisogna conoscere:‐ il fabbisogno termico q da soddisfare, espresso in J/giorno;‐ il valore medio‐giornaliero A dell’insolazione del luogo;‐ il rendimento del pannello η (tra 0,5 e 0,75).

Poi si procede:1) calcolo del fabbisogno termico annuo:

Q=cs*V*(t‐ta)*365=4186*V*(t‐ta)D è il l ifi d ll’ (4186) V l i à di d ld lDove cs è il cal.specifico dell’acqua (4186), V la quantità di acqua da scaldare, t latemp. richiesta (50° C), ta la temp. Di immissione (15° al nord, 20° al centro sud)

2) l l d ll’ i t bil ità di fi i A2) calcolo dell’energia captabile per unità di superficie Au:Au=A (giornaliera) *η*365*k

Dove k (tra 1,10 ed 1,15) tiene conto della maggior efficienza dovuta all’inclinazionedel pannello rispetto all’orizzontale A è insolazione giornaliera η è il rendimento deldel pannello rispetto all orizzontale, A è insolazione giornaliera, η è il rendimento delpannello.

3) calcolo della superficie S (in m2) dei collettori:3) calcolo della superficie S (in m2) dei collettori:La superficie necessaria per scaldare una certa quantità di acqua è

S=Q/Au


Si vuole dimensionare un impianto a pannelli solari per il riscaldamento di 250l di acqua al giorno (famiglia di quattro persone). I dati di partenza siano iseguenti:

Città: Romaη=0,6 k=1,12

A=15 14 MJ/m2 (giornaliera)A=15,14 MJ/m (giornaliera)

Procedendo come detto prima si ottiene:

1. Q=4186*250*(50‐15)*365= 13370 MJ/anno

* * * / 2*2. Au=15,14*365*1,12*0,6= 3713 MJ/m2*anno

3. S=Q/Au=13370/3713 = 3,6 m2

Quindi circa 4 m2 di pannello.


Nucleo familiare composto da 4 componenti

Installazione di un impianto a pannelli solari di 4 m2 e serbatoio da 300 litri

• Produzione dell’impianto: circa 2.000 kWht/anno

• Costo investimento chiavi in mano: 4.400 Euro (IVA inclusa)• Costo annuo di gestione e manutenzione dell’impianto: 25 Euro• Detrazione IRPEF 55% pari a circa 805 €/anno (per 3 anni)p / (p )• costi evitati in bolletta:• se ad integrazione caldaia a gas naturale: ~ 180 €/anno• se ad integrazione boiler elettrico: ~ 400 €/anno

• Tempo di ritorno economico dell’investimento:• se ad integrazione caldaia a gas naturale: 13 anni• se ad integrazione boiler elettrico: 7 anni se ad integrazione boiler elettrico: 7 anni

• Emissioni evitate di CO2:• se ad integrazione caldaia a gas naturale: circa 0,5 tonnellate/anno

d i t i b il l tt i i 1 3 t ll t /• se ad integrazione boiler elettrico: circa 1,3 tonnellate/anno

(calcoli effettuati considerando una durata dell’impianto di circa 20 anni, rendimento del boiler elettrico e della caldaia a gas naturale)


IL RISPARMIO OLTRE CHE DIPENDERE DA CONDIZIONICLIMATICHE E’ LEGATO AL COSTO DELL’ENERGIASOSTITUITA.IN MEDIA PER UN IMPIANTO MONOFAMILIARE PER LASOLA PRODUZIONE DI ACQUA CALDA, IL COSTO E’ CIRCA1.600 – 4.000 EURO, AMMORTIZZABILE IN 3‐5 ANNI.IL COSTO MEDIO PER UN UTENTE CHE UTILIZZA METANOPER LA PRODUZIONE TERMICA E’ DI CIRCA 1.000 EUROL’ANNO.L’EFFICIENZA MEDIA DI UN IMPIANTO SOLARE TERMICO E’DEL 50%, IL RISPARMIO ANNUO RISULTA PARI A CIRCA 400EURO.


Incentivi e strumenti finanziari• L’installazione di nuovi impianti a collettori solari è incentivata dalla legge Finanziaria 2008tramite il riconoscimento di detrazioni d’imposta (IRPEF o IRES) fino a un massimo di 60.000€, corrispondente ad una spesa massima di 109.090,90 €.

• Per usufruire della detrazione, per quanto riguarda i pannelli solari, occorre soddisfare irequisiti di qualità (certificazione conforme a norme UNI 12975) e garanzia (cinque anni), eanaloghi requisiti per quanto riguarda gli altri componenti dell’impianto.g q p q g g p p

• Le spese detraibili comprendono la fornitura e posa in opera di tutte le apparecchiaturetermiche, meccaniche, elettriche ed elettroniche, oltre alle opere idrauliche e murarienecessarienecessarie.

• E’ estesa all’installazione di impianti a collettori solari l’aliquota IVA ridotta al 10%riconosciuta sino al 2010 dalla Finanziaria 2008 alla fatturazione di interventi di recupero del

i i dili i li i f bb i i l d i i bi i ipatrimonio edilizio realizzati su fabbricati a prevalente destinazione abitativa privata.

30‐8‐2007 ‐ BOLLETTINO UFFICIALE DELLA REGIONE LAZIO ‐ N. 24 ‐ Parte terzaA i bbli l i di i ti iAvviso pubblico per la concessione di incentivi

per la realizzazione di impianti solari per uso termico


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